OFD衍射时差法超声检测技术PPT课件
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• 检测数据有永久的数字记录。
• 检测速度快，效率高。
折射角度与衍射波幅度的关系
折射角度与衍射波幅度的关系
• 裂纹上尖端信号从0－65°单调增大，从65 ° ~85°单调降低。波幅最大时的折射角为65 °。
• 裂纹下尖端的信号波幅曲线在20 °和65 °时 出现两个峰值，在38 °时，裂纹下尖端的信 号波幅下降到最低。
TOFD衍射时差法 超声检测技术
天津诚信达金属检测技术有限公司 张平
UT-Ⅲ 复试 2010年4月21日于济南
什么是 TOFD?
• TOFD是Time of Flight Diffraction 的第一个英文字母的缩写，中文简称衍射 时差法 。是上世纪七十年代由英国哈威尔 无损检测中心根据超声波衍射现象首先提 出来的，检测时使用一对或多对宽声束探 头，每对探头相对焊缝对称布置（一发一 收），声束覆盖检测区域，遇到缺陷时产 生反射波和衍射波。探头同时接收反射波 和衍射波，通过测量衍射波传播时间，利 用三角方程来确定出缺陷的尺寸和位置。
这些参数相关于陶瓷材料的体积率）； （9）易与声阻抗不同的材料匹配（从水到钢）； （10）可通过陶瓷体积率的变化，调节超声波灵敏度。
合格的TOFD成像
缺陷检出率
• 手工UT：50～70％； • RT：70～80％； • TOFD：70～90％； • 机械扫查UT+TOFD：80～95％。
衍射现象
•底面反射波(BW)：纵波在底面的反射波。因其传播距离比直 通波大，总是在直通波之后。
•波型转换信号：在底面纵波和底面反射波型转换信号还会产 生各种波型转换信号。由于横波速度较慢，在底面反射波之后 出现，但波幅相当大。
•由于直通波(LW)和底面反射波(BW)的存在，检测时如果只使 用TOFD检测，在上表面和下表面存在盲区，一般为几毫米左右， 近表面的盲区大于底面的盲区。
• 开始应用（20世纪90年代） • 大规模应用（21世纪初）
TOFD技术得以推广应用的先决条件
• TOFD技术得以推广应用的关键主要是： • 数字技术：是计算机技术、多媒体技术、
智能技术和信息技术的基础。
• 计算机技术：快速处理大量数据
• 压电复合材料：可用于相控阵探头、 TOFD探头和高性能常规脉冲超声探头
TOFD的典型设置
发射探头
直通波
接收探头
上端点 下端点
底面反射信号
发射探头
A扫信号
直通波
接收探头
底面反射波
LW
BW
上端点 下端点
TOFD检测的典型信号
•直通波(LW)：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。路 程最逗，最先到达。
•缺陷信号：缺陷上、下端点产生的衍射信号，在直通波和底 面反射波之间，比底面反射波信号弱很多。
• 在45 °~80 °区间，裂纹下尖端的信号波幅 略大于上尖端的信号波幅。
• 在45 ° ～80 °之间波幅的变化小于6dB。
纵波探头声场特点
1、纵波与横波同时存在。由于TOFD技术采用纵 波检测，探头折射角小于第一临界角。这样在 探头声场中，同时存在纵波与横波。
2、大扩散角和宽波束。探头纵波具有很宽的波 束。通过计算可以求出，该探头在钢中声压下 降12dB的波束上边界角为90°，下边界角为 45.7°。
与底波信号时间差至少20个周期的要求，这可 使直通波与底波回波在10％以上的波幅不超过 两个周期，减小盲区，提高时间分辨率。 • 综合考虑晶片尺寸与探头频率，根据标准规定 选择。 • 一般使用的TOFD探头中心频率为1～15MHz，晶 片尺寸为 3～20mm。 • 常用的探头角度为：45 ° 、60 ° 、70 °
压电复合材料制作的探头有以下优点
（1）横向振动很弱，串扰声压小； （2）机械品质因数Q值低; （3）带宽大（80%～100%）； （4）机电耦合系数值大； （5）灵敏度高，信噪比优于普通PZT探头； （6）在较大温度范围内特性稳定； （7）可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块和充填技术； （8）声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数易于改变（因
TOFD中文名称
• Time of Flight Diffraction Technique 的中文翻译为——衍射时差法超声检测技 术
• GB/T 12604.1—2005（等同ISO 5577:2000） 翻译为——衍射声时
• 物理学术语翻译为——衍射渡越时间
TOFD发展历程
• TOFD技术发现(20世纪70年代）——摸索、 完善、装备研发
相位变化
直通波
底面反射波
+
LW
+
BW
-
-
上端点 下端点 需要不检波的A扫来显示相位的变化
相位变化
• 直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相 反的。
• 每一个显示的上、下端点衍射波相位是相反的。 • 缺陷的下端点与直通波的相位是相同的。 • 缺陷的上端点与底面反射波的相位是相同的。
采用数字化记录超声波检测数据 的优点
1、能够实现海量数据的长期保存； 2、便于采取各种信号处理操作，例如多样的可
视化显示、信号增强、平均、叠加等； 3、取用、再分析、通讯传输方便； 4、精度高，抗干扰性强。 • 模拟信号的局限性，容易失真，精度低，抗
干扰能力差，远距离传输和大规模存储困难， 无法进行复杂的分析处理 等
3、从图11中可以看出，横波声场的强度比纵波 大的多。
源自文库
TOFD检测为什么使用纵波而不用 横波探头
• 纵波传播速度快，几乎是横波的两 倍，最先到达接收探头，容易识别 缺陷，以纵波波速计算缺陷深度， 不会与横波信号混淆。
60°5MHz 6mm波束模拟
晶片尺寸与频率对探头性能的影响
• 小晶片，扩散角大，覆盖范围大。 • 频率高，扩散角小，覆盖范围小。 • 另一方面，频率高，周期短，容易满足直通波
入射波
衍射波
反射波
裂纹
衍射波
衍射现象
• 惠更斯原理:
入射波使缺陷产生振动。
缺陷上的每一个点都 产生出一个球面子波
衍射现象
入射波
衍射波
反射波
裂纹
向各个方向传播 能量低
衍射波
TOFD技术的优点（与PE相比）
• 缺陷的衍射信号与缺陷的方向无关。
• 缺陷的定量不依赖于缺陷的回波幅度。
• 精确测量衍射波的传播时间来确定缺陷的 尺寸和位置，对面状缺陷自身高度的测量 精度很高。（对于自然裂纹自身高度测量 精度为±1mm，对于监测裂纹扩展测量精 度为± 0.3mm。缺陷长度的测量精度与PE 相当±5mm ）
• 检测速度快，效率高。
折射角度与衍射波幅度的关系
折射角度与衍射波幅度的关系
• 裂纹上尖端信号从0－65°单调增大，从65 ° ~85°单调降低。波幅最大时的折射角为65 °。
• 裂纹下尖端的信号波幅曲线在20 °和65 °时 出现两个峰值，在38 °时，裂纹下尖端的信 号波幅下降到最低。
TOFD衍射时差法 超声检测技术
天津诚信达金属检测技术有限公司 张平
UT-Ⅲ 复试 2010年4月21日于济南
什么是 TOFD?
• TOFD是Time of Flight Diffraction 的第一个英文字母的缩写，中文简称衍射 时差法 。是上世纪七十年代由英国哈威尔 无损检测中心根据超声波衍射现象首先提 出来的，检测时使用一对或多对宽声束探 头，每对探头相对焊缝对称布置（一发一 收），声束覆盖检测区域，遇到缺陷时产 生反射波和衍射波。探头同时接收反射波 和衍射波，通过测量衍射波传播时间，利 用三角方程来确定出缺陷的尺寸和位置。
这些参数相关于陶瓷材料的体积率）； （9）易与声阻抗不同的材料匹配（从水到钢）； （10）可通过陶瓷体积率的变化，调节超声波灵敏度。
合格的TOFD成像
缺陷检出率
• 手工UT：50～70％； • RT：70～80％； • TOFD：70～90％； • 机械扫查UT+TOFD：80～95％。
衍射现象
•底面反射波(BW)：纵波在底面的反射波。因其传播距离比直 通波大，总是在直通波之后。
•波型转换信号：在底面纵波和底面反射波型转换信号还会产 生各种波型转换信号。由于横波速度较慢，在底面反射波之后 出现，但波幅相当大。
•由于直通波(LW)和底面反射波(BW)的存在，检测时如果只使 用TOFD检测，在上表面和下表面存在盲区，一般为几毫米左右， 近表面的盲区大于底面的盲区。
• 开始应用（20世纪90年代） • 大规模应用（21世纪初）
TOFD技术得以推广应用的先决条件
• TOFD技术得以推广应用的关键主要是： • 数字技术：是计算机技术、多媒体技术、
智能技术和信息技术的基础。
• 计算机技术：快速处理大量数据
• 压电复合材料：可用于相控阵探头、 TOFD探头和高性能常规脉冲超声探头
TOFD的典型设置
发射探头
直通波
接收探头
上端点 下端点
底面反射信号
发射探头
A扫信号
直通波
接收探头
底面反射波
LW
BW
上端点 下端点
TOFD检测的典型信号
•直通波(LW)：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。路 程最逗，最先到达。
•缺陷信号：缺陷上、下端点产生的衍射信号，在直通波和底 面反射波之间，比底面反射波信号弱很多。
• 在45 °~80 °区间，裂纹下尖端的信号波幅 略大于上尖端的信号波幅。
• 在45 ° ～80 °之间波幅的变化小于6dB。
纵波探头声场特点
1、纵波与横波同时存在。由于TOFD技术采用纵 波检测，探头折射角小于第一临界角。这样在 探头声场中，同时存在纵波与横波。
2、大扩散角和宽波束。探头纵波具有很宽的波 束。通过计算可以求出，该探头在钢中声压下 降12dB的波束上边界角为90°，下边界角为 45.7°。
与底波信号时间差至少20个周期的要求，这可 使直通波与底波回波在10％以上的波幅不超过 两个周期，减小盲区，提高时间分辨率。 • 综合考虑晶片尺寸与探头频率，根据标准规定 选择。 • 一般使用的TOFD探头中心频率为1～15MHz，晶 片尺寸为 3～20mm。 • 常用的探头角度为：45 ° 、60 ° 、70 °
压电复合材料制作的探头有以下优点
（1）横向振动很弱，串扰声压小； （2）机械品质因数Q值低; （3）带宽大（80%～100%）； （4）机电耦合系数值大； （5）灵敏度高，信噪比优于普通PZT探头； （6）在较大温度范围内特性稳定； （7）可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块和充填技术； （8）声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数易于改变（因
TOFD中文名称
• Time of Flight Diffraction Technique 的中文翻译为——衍射时差法超声检测技 术
• GB/T 12604.1—2005（等同ISO 5577:2000） 翻译为——衍射声时
• 物理学术语翻译为——衍射渡越时间
TOFD发展历程
• TOFD技术发现(20世纪70年代）——摸索、 完善、装备研发
相位变化
直通波
底面反射波
+
LW
+
BW
-
-
上端点 下端点 需要不检波的A扫来显示相位的变化
相位变化
• 直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相 反的。
• 每一个显示的上、下端点衍射波相位是相反的。 • 缺陷的下端点与直通波的相位是相同的。 • 缺陷的上端点与底面反射波的相位是相同的。
采用数字化记录超声波检测数据 的优点
1、能够实现海量数据的长期保存； 2、便于采取各种信号处理操作，例如多样的可
视化显示、信号增强、平均、叠加等； 3、取用、再分析、通讯传输方便； 4、精度高，抗干扰性强。 • 模拟信号的局限性，容易失真，精度低，抗
干扰能力差，远距离传输和大规模存储困难， 无法进行复杂的分析处理 等
3、从图11中可以看出，横波声场的强度比纵波 大的多。
源自文库
TOFD检测为什么使用纵波而不用 横波探头
• 纵波传播速度快，几乎是横波的两 倍，最先到达接收探头，容易识别 缺陷，以纵波波速计算缺陷深度， 不会与横波信号混淆。
60°5MHz 6mm波束模拟
晶片尺寸与频率对探头性能的影响
• 小晶片，扩散角大，覆盖范围大。 • 频率高，扩散角小，覆盖范围小。 • 另一方面，频率高，周期短，容易满足直通波
入射波
衍射波
反射波
裂纹
衍射波
衍射现象
• 惠更斯原理:
入射波使缺陷产生振动。
缺陷上的每一个点都 产生出一个球面子波
衍射现象
入射波
衍射波
反射波
裂纹
向各个方向传播 能量低
衍射波
TOFD技术的优点（与PE相比）
• 缺陷的衍射信号与缺陷的方向无关。
• 缺陷的定量不依赖于缺陷的回波幅度。
• 精确测量衍射波的传播时间来确定缺陷的 尺寸和位置，对面状缺陷自身高度的测量 精度很高。（对于自然裂纹自身高度测量 精度为±1mm，对于监测裂纹扩展测量精 度为± 0.3mm。缺陷长度的测量精度与PE 相当±5mm ）